电网工程10kV电力电缆选型研究

上海智涛科技有限公司 楼剑生

本文主要依托上海某10kV 电缆线路新建工程，通过工程实例计算分析，对电网工程10kV 电力电缆选型进行了研究。主要针对10kV 电力电缆的导体材质、绝缘水平、截面选择、排管敷设牵引力计算进行了介绍，重点根据载流量、热稳定、允许电压损失、敷设牵引力、侧压力因素对电缆截面、电缆段长的选取做了重点分析。

电力电缆选型是电网工程设计工作中十分重要的一个环节，电缆输电线路敷设在地下空间，受气候条件等外部环境影响小，具有传送性能稳定、可靠性高、运行维护工作量少等优点。本文从10kV电力电缆的导体材质、绝缘水平、截面选择、电缆排管敷设牵引力计算进行了介绍，重点根据载流量、热稳定、允许电压损失、敷设牵引力、侧压力因素对电缆截面、电缆段长的选取进行了重点分析，同时结合工程实例完成了相关的计算选型。该工程电缆线路长1.5公里，输送容量8MVA，排管敷设，环境最高温度为40℃。

电力电缆导体材质和芯数选择：电网工程10kV电缆导体一般采用铜导体，电网工程10kV 电缆一般采用三芯电缆[1]，本工程实例选用三芯铜电缆；电力电缆绝缘层、屏蔽层、保护层、绝缘水平的选择：电网工程10kV 电缆绝缘材质一般选用交联聚乙烯，金属屏蔽层一般选用软铜线或铜带，保护层外护套一般选用聚氯乙烯或聚乙烯，本工程实例选用YJV-8.7/10型三芯电力电缆。

1 导体截面的选择

文章选取工程实例电缆线路长1.5公里，输送容量8MVA，排管敷设，环境最高温度为4℃。

1.1 按载流量选取导体截面

按按载流量选择电缆截面的为公式（1）：KIxu≥Ig，式中：Ig为输电线路最大工作电流；Ixu为标准条件（指标准敷设方式、环境温度）下的电缆载流量；K 为其他环境温度下的载流量校正系数。

公式（2）中：选取工程实例，S 取8000kVA，UN取10kV，则计算得出回路最大工作电流为462A；公式（3）中：工程为地下排管敷设，同时根据《城市电力电缆线路设计技术规定DL/T5221-2016》规定，该工程载流量校正系数仅取排管敷设条件下环境温度影响的载流量校正系数。θm为回线芯最高工作温度取90℃，θ2为实际环境温度取25.9℃，θ1取排管敷设环境温度取25℃，则计算得载流量校正系数为0.993。根据公式（1）、公式（2）、公式（3）计算可得Ixu≥465A。

查电缆载流量表，10kV 三芯交联聚乙烯电缆持续允许载流量如表1所示。根据计算，按载流量选取导体截面积S 为400mm2。

表1 10kV 三芯（铜芯）交联聚乙烯电缆持续允许载流量（A）

1.2 按热稳定选择导体截面

按电缆长期允许载流量选取导体截面后，通过热稳定校验复核导体截面选择。当线路发生短路故障，电缆所受电动力迅速上升，电缆线芯温度迅速上升，同时短路故障使线路微机保护装置动作，切断故障线路。在实际10kV 电缆工程中，短路对电缆的影响主要有温度，由于短路的时间很短，可以认为短路电流产生的热量全部作用于电缆导体线芯。

电力电缆热稳定校验允许最小导体截面计算公式见公式（4）[1]。

公式（4）中：Smin为要求电缆线芯导体最小截面；Q 为电缆输电线路热效应；C 为热稳定系数；公式（5）中：I 为热稳定校验短路电流（短路全电流的最大有效值），工程实例中短路电流取远景年，根据《上海电网若干技术原则的规定》，上海电网10kV的三相短路按20kA 考虑；t 为短路持续时间，工程实例中线路保护采用纵差微机保护，纵差保护为瞬时保护，则短路持续时间由微机保护动作时间和断路器动作时间组成，工程实例中微机保护动作时间取40ms，断路器动作时间取0.2s，最终t 的取值为0.24s。

公式（6）、（7）中：结合工程实例，电缆线芯材质为铜导体，绝缘材料为交联聚乙烯，在进行电缆热稳定校核时，取θp=θh=90℃、θm=250℃；α为电缆铜导体电阻的温度系数取0.00393/℃,ρ 为电缆铜导体的电阻系数、取0.01724×10-4Ω·cm3/cm，q 为电缆铜导体单位体积热容量、取3.4J/（cm3·℃）[3],k 为电缆铜导体的交流电阻与直流电阻之比、取1.0824；η 为电缆芯线充填物热容影响的校正系数、取1；J 为热功当量系数、取1；计算出热稳定系数C=136.33。

1.3 按允许电压降选择导体截面

三相交流电压损失的百分数计算公式详见公式（8）[4]：

公式（8）中：ΔU%为电压允许损失百分比，Ig为输电线路最大工作电流462A，L 为输电线路电缆长度1.5km，r 为电缆每公里电阻0.054Ω/km，x 为电缆每公里电抗0.086Ω/km，cosφ 为功率因素取0.9。工程实例中电力电缆损失的百分数为：ΔU%≈1.03%，满足10kV 供电偏差的要求（上海电网10kV 线路允许电压损失1.5~3%），则选择400mm2电缆导体截面是满足电压允许损失要求的。

2 电缆敷设

2.1 电缆敷设方式

电网工程电力电缆输电线路常用敷设方式有排管敷设方式、电缆隧道敷设方式、电缆沟敷设方式、电缆保护管敷设方式和电缆直埋敷设方式。工程实例采用排管敷设方式。

2.2 电缆敷设牵引力、滚轮侧压力计算

电力电缆排管敷设工程中，受力分析最主要考虑敷设牵引力和侧压力。敷设牵引力主要作用在电缆的金属导体上，部分作用在金属套或铠装层上；侧压力主要产生在电缆弯曲部位，指作用在电缆上与其本体呈垂直方向的压力；当敷设牵引力超过电缆的最大允许拉力时，敷设容易损坏电缆，当侧压力大于允许侧压力值时，电缆容易在转弯处受压变形，电缆外护层容易损坏。

工程实例中，电力电缆全线沿道路排管敷设，水平敷设，转弯处设置转角工井；电缆路径较长，为减少总的牵引力、侧压力，同时适当考虑电缆运输，根据现场实际道路情况适当布置电缆中间接头直线工井。以下的计算根据工程实例拟定的敷设路径情况，计算相关的牵引力、侧压力。电缆敷设路径简图如图1所示。

图1 电缆敷设路径简图

2.2.1 牵引力计算公式

水平直线牵引计算公式、水平弯曲牵引力计算公式如下[2]：

公式（9）中：T 为敷设牵引力（kN），W 为电缆单位重量取170.667（N/m），µ1为摩擦系数（排管敷设）取0.3，L 为电缆段长（km）；公式（10）中：T1为弯曲前的牵引力（kN），T2为弯曲后的牵引力（kN），µ2为摩擦系数（滚轮敷设）、取0.2，θ 为弯曲部分的圆心角、取π/2。

表2 电缆段长敷设表

2.2.2 滚轮敷设侧压力计算公式[2]

公式（11）中：P 为每只滚轮侧压力（N），T为弯曲后的牵引力（N），a 为滚轮之间的夹角，电缆水平弯曲牵引敷设过程中，设置适当数量的立式托辊，为降低对电缆的侧压力，立式托辊间距适当小些，工程实例中转角为90°时立式托辊布置4~6个（1个立式托辊2个滚轮），根据本工程电缆路径较长，按布置4个考虑，滚轮之间的夹角取11.25°。

2.2.3 最大允许牵引力、侧压力计算

公式（12）中：Tm 为电力电缆最大允许拉力（kN）；k 为校正系数、取1；б 为电缆铜导体允许抗拉强度、取68.6×106N/m2；n 为电缆芯数、取3；s 为导体面积、取400mm2。

电缆护层最大允许侧压力如表3所示。工程实例中根据公式（12）计算最大允许牵引力Tm=82.32kN；每只滚轮最大侧压力1.0kN。

表3 电缆护层最大允许侧压力

2.2.4 工程实例牵引力、侧压力计算

工程实例中各4段电缆段牵引力、侧压力计算结果如表4所示。

表4 计算结果

电缆段1最大敷设牵引力21.667kN，最大每只滚轮侧压力0.154kN；电缆段2最大敷设牵引力19.594kN，最大每只滚轮侧压力0.291kN；电缆段3最大敷设牵引力25.6kN；电缆段4最大敷设牵引力22.503kN，最大每只滚轮侧压力0.237kN。4段电缆段均满足最大允许牵引力、最大允许侧压力要求，电缆段长分段及敷设方法满足受力要求[5]。

3 结语

综上所述，本文介绍了电网工程10kV 电力电缆的选型方法，通过工程实例完成了电缆截面的选取，通过计算载流量选取电缆截面，再通过热稳定、电压降因素进行校验，最终确定电缆的型号为YJV-8.7/10-3×400型电力电缆，最后通过计算牵引力和侧压力确定验算每段电缆段长。文章总结了常用10kV 电力电缆计算公式，可供工程设计选型参考使用。